Próba wytrzymałości na rozciąganie służy głównie do określenia odporności materiałów metalowych na uszkodzenia podczas procesu rozciągania i jest jednym z ważnych wskaźników oceny właściwości mechanicznych materiałów.
1. Próba rozciągania
Próba rozciągania opiera się na podstawowych zasadach mechaniki materiałów. Przyłożenie obciążenia rozciągającego do próbki materiału w określonych warunkach powoduje odkształcenie przy rozciąganiu, aż do pęknięcia próbki. Podczas badania rejestruje się odkształcenie próbki doświadczalnej pod różnymi obciążeniami oraz maksymalne obciążenie przy pęknięciu próbki, w celu obliczenia granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i innych wskaźników wydajności materiału.
Naprężenie σ = F/A
σ to wytrzymałość na rozciąganie (MPa)
F to obciążenie rozciągające (N)
A jest polem przekroju próbki
2. Krzywa rozciągania
Analiza kilku etapów procesu rozciągania:
A. W fazie OP przy małym obciążeniu wydłużenie jest liniowo zależne od obciążenia, a Fp jest maksymalnym obciążeniem pozwalającym na utrzymanie linii prostej.
B. Gdy obciążenie przekroczy Fp, krzywa rozciągania zaczyna przyjmować zależność nieliniową. Próbka wchodzi w fazę początkowego odkształcenia, obciążenie zostaje usunięte, a próbka może powrócić do stanu pierwotnego i odkształcić się elastycznie.
C. Gdy obciążenie przekroczy Fe, obciążenie jest usuwane, część odkształcenia zostaje przywrócona, a część odkształcenia resztkowego zostaje zachowana, co nazywa się odkształceniem plastycznym. Fe nazywa się granicą sprężystości.
D. Gdy obciążenie dalej wzrasta, krzywa rozciągania pokazuje ząb piłokształtny. Gdy obciążenie nie rośnie ani nie maleje, zjawisko ciągłego wydłużania próbki doświadczalnej nazywa się plastycznością. Po uplastycznieniu próbka zaczyna ulegać wyraźnemu odkształceniu plastycznemu.
mi. Próbka po uplastycznieniu wykazuje wzrost odporności na odkształcenia, umocnienia przez zgniot i umocnienia odkształceniowego. Gdy obciążenie osiągnie Fb, ta sama część próbki gwałtownie się kurczy. Fb to granica siły.
F. Zjawisko skurczu prowadzi do zmniejszenia nośności próbki. Gdy obciążenie osiągnie Fk, próbka pęka. Nazywa się to obciążeniem niszczącym.
Siła plonu
Granica plastyczności to maksymalna wartość naprężenia, jaką materiał metalowy może wytrzymać od początku odkształcenia plastycznego do całkowitego pęknięcia pod wpływem siły zewnętrznej. Wartość ta oznacza punkt krytyczny, w którym materiał przechodzi z etapu odkształcenia sprężystego do etapu odkształcenia plastycznego.
Klasyfikacja
Górna granica plastyczności: odnosi się do maksymalnego naprężenia próbki przed pierwszym spadkiem siły w momencie wystąpienia plastyczności.
Niższa granica plastyczności: odnosi się do minimalnego naprężenia w fazie plastyczności, gdy ignorowany jest początkowy efekt przejściowy. Ponieważ wartość dolnej granicy plastyczności jest stosunkowo stabilna, zwykle stosuje się ją jako wskaźnik wytrzymałości materiału, zwany granicą plastyczności lub granicą plastyczności.
Wzór obliczeniowy
Dla górnej granicy plastyczności: R = F/Sₒ, gdzie F to maksymalna siła, zanim siła spadnie po raz pierwszy w fazie plastyczności, a Sₒ to pierwotne pole przekroju poprzecznego próbki.
Dla niższej granicy plastyczności: R = F / Sₒ, gdzie F to minimalna siła F ignorująca początkowy efekt przejściowy, a Sₒ to pierwotne pole przekroju poprzecznego próbki.
Jednostka
Jednostką granicy plastyczności jest zwykle MPa (megapaskal) lub N/mm² (niuton na milimetr kwadratowy).
Przykład
Weźmy na przykład stal niskowęglową, jej granica plastyczności wynosi zwykle 207 MPa. Poddana działaniu siły zewnętrznej większej niż ten limit stal niskowęglowa spowoduje trwałe odkształcenie, którego nie będzie można przywrócić; poddana działaniu siły zewnętrznej mniejszej niż ta granica stal niskowęglowa może powrócić do swojego pierwotnego stanu.
Granica plastyczności jest jednym z ważnych wskaźników oceny właściwości mechanicznych materiałów metalowych. Odzwierciedla zdolność materiałów do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym pod wpływem sił zewnętrznych.
Wytrzymałość na rozciąganie
Wytrzymałość na rozciąganie to zdolność materiału do przeciwstawienia się uszkodzeniom pod obciążeniem rozciągającym, która jest konkretnie wyrażana jako maksymalna wartość naprężenia, jaką materiał może wytrzymać podczas procesu rozciągania. Kiedy naprężenie rozciągające działające na materiał przekracza jego wytrzymałość na rozciąganie, materiał ulegnie odkształceniu plastycznemu lub pęknięciu.
Wzór obliczeniowy
Wzór obliczeniowy na wytrzymałość na rozciąganie (σt) jest następujący:
σt = F/A
Gdzie F to maksymalna siła rozciągająca (Newton, N), jaką próbka może wytrzymać przed zerwaniem, a A to pierwotne pole przekroju poprzecznego próbki (milimetry kwadratowe, mm²).
Jednostka
Jednostką wytrzymałości na rozciąganie jest zwykle MPa (megapaskal) lub N/mm² (niuton na milimetr kwadratowy). 1 MPa równa się 1 000 000 Newtonów na metr kwadratowy, co jest również równe 1 N/mm².
Czynniki wpływające
Na wytrzymałość na rozciąganie wpływa wiele czynników, w tym skład chemiczny, mikrostruktura, proces obróbki cieplnej, metoda przetwarzania itp. Różne materiały mają różną wytrzymałość na rozciąganie, dlatego w zastosowaniach praktycznych konieczne jest wybranie odpowiednich materiałów w oparciu o właściwości mechaniczne przybory.
Praktyczne zastosowanie
Wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo ważnym parametrem w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii materiałowej i często jest wykorzystywana do oceny właściwości mechanicznych materiałów. Jeśli chodzi o projekt konstrukcyjny, dobór materiałów, ocenę bezpieczeństwa itp., czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest wytrzymałość na rozciąganie. Na przykład w budownictwie wytrzymałość stali na rozciąganie jest ważnym czynnikiem decydującym o jej wytrzymałości na obciążenia; w lotnictwie i kosmonautyce wytrzymałość na rozciąganie lekkich i wysokowytrzymałych materiałów jest kluczem do zapewnienia bezpieczeństwa statków powietrznych.
Siła zmęczeniowa:
Zmęczenie metalu odnosi się do procesu, w którym materiały i komponenty stopniowo powodują lokalne, trwałe, kumulacyjne uszkodzenia w jednym lub kilku miejscach pod wpływem cyklicznego naprężenia lub cyklicznego odkształcenia, a po określonej liczbie cykli pojawiają się pęknięcia lub nagłe całkowite pęknięcia.
Cechy
Nagłość w czasie: Uszkodzenie zmęczeniowe metalu często pojawia się nagle, w krótkim czasie, bez widocznych oznak.
Miejscowość w pozycji: Uszkodzenie zmęczeniowe zwykle występuje w obszarach lokalnych, gdzie koncentrują się naprężenia.
Wrażliwość na środowisko i defekty: Zmęczenie metalu jest bardzo wrażliwe na środowisko i drobne defekty wewnątrz materiału, co może przyspieszyć proces zmęczenia.
Czynniki wpływające
Amplituda naprężenia: Wielkość naprężenia wpływa bezpośrednio na trwałość zmęczeniową metalu.
Średnia wielkość naprężenia: Im większe średnie naprężenie, tym krótsza trwałość zmęczeniowa metalu.
Liczba cykli: Im częściej metal jest poddawany cyklicznym naprężeniom lub odkształceniom, tym poważniejsze jest nagromadzenie uszkodzeń zmęczeniowych.
Środki zapobiegawcze
Zoptymalizuj dobór materiałów: Wybierz materiały o wyższych granicach zmęczenia.
Zmniejszanie koncentracji naprężeń: Zmniejsz koncentrację naprężeń poprzez projektowanie konstrukcyjne lub metody przetwarzania, takie jak stosowanie zaokrąglonych przejść narożnych, zwiększanie wymiarów przekroju poprzecznego itp.
Obróbka powierzchniowa: Polerowanie, natryskiwanie itp. powierzchni metalu w celu zmniejszenia defektów powierzchni i poprawy wytrzymałości zmęczeniowej.
Kontrola i konserwacja: Regularnie sprawdzaj elementy metalowe, aby szybko wykryć i naprawić defekty, takie jak pęknięcia; konserwować części podatne na zmęczenie, np. wymieniając zużyte części i wzmacniając słabe ogniwa.
Zmęczenie metalu jest powszechnym rodzajem uszkodzenia metalu, który charakteryzuje się nagłością, lokalnością i wrażliwością na środowisko. Amplituda naprężenia, średnia wielkość naprężenia i liczba cykli to główne czynniki wpływające na zmęczenie metalu.
Krzywa SN: opisuje trwałość zmęczeniową materiałów pod różnymi poziomami naprężenia, gdzie S oznacza naprężenie, a N oznacza liczbę cykli naprężenia.
Wzór na współczynnik wytrzymałości zmęczeniowej:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Gdzie (Ka) to współczynnik obciążenia, (Kb) to współczynnik wielkości, (Kc) to współczynnik temperatury, (Kd) to współczynnik jakości powierzchni, a (Ke) to współczynnik niezawodności.
Wyrażenie matematyczne krzywej SN:
(\sigma^m N = C)
Gdzie (\sigma) to naprężenie, N to liczba cykli naprężenia, a m i C to stałe materiałowe.
Kroki obliczeniowe
Wyznacz stałe materiałowe:
Wyznacz wartości m i C poprzez eksperymenty lub odwołując się do odpowiedniej literatury.
Określ współczynnik koncentracji naprężeń: Weź pod uwagę rzeczywisty kształt i rozmiar części, a także koncentrację naprężeń powodowanych przez zaokrąglenia, rowki wpustowe itp., aby określić współczynnik koncentracji naprężeń K. Oblicz wytrzymałość zmęczeniową: Zgodnie z krzywą SN i naprężeniem współczynnik koncentracji w połączeniu z przewidywaną trwałością i poziomem naprężenia roboczego części oblicza wytrzymałość zmęczeniową.
2. Plastyczność:
Plastyczność odnosi się do właściwości materiału, który pod wpływem siły zewnętrznej powoduje trwałe odkształcenie bez pękania, gdy siła zewnętrzna przekracza granicę sprężystości. Odkształcenie to jest nieodwracalne i materiał nie powróci do swojego pierwotnego kształtu nawet po usunięciu siły zewnętrznej.
Wskaźnik plastyczności i wzór na jego obliczenie
Wydłużenie (δ)
Definicja: Wydłużenie to procent całkowitego odkształcenia przekroju miernika po pęknięciu próbki przy rozciąganiu do pierwotnej długości sprawdzianu.
Wzór: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Gdzie L0 jest pierwotną długością pomiarową próbki;
L1 to długość pomiarowa po zerwaniu próbki.
Redukcja segmentowa (Ψ)
Definicja: Zmniejszenie segmentowe to procent maksymalnego zmniejszenia pola przekroju poprzecznego w punkcie przewężenia po rozbiciu próbki do pierwotnego pola przekroju poprzecznego.
Wzór: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Gdzie F0 jest pierwotnym polem przekroju poprzecznego próbki;
F1 to pole przekroju poprzecznego w miejscu przewężenia po rozbiciu próbki.
3. Twardość
Twardość metalu to wskaźnik właściwości mechanicznych służący do pomiaru twardości materiałów metalowych. Wskazuje odporność na odkształcenia lokalnej objętości na powierzchni metalu.
Klasyfikacja i przedstawienie twardości metali
Twardość metalu ma wiele metod klasyfikacji i reprezentacji zgodnie z różnymi metodami testowymi. Głównie obejmują:
Twardość Brinella (HB):
Zakres zastosowania: Zwykle stosowany, gdy materiał jest bardziej miękki, np. metale nieżelazne, stal przed obróbką cieplną lub po wyżarzaniu.
Zasada badania: Przy określonej wielkości obciążenia próbnego w powierzchnię badanego metalu wciska się kulkę ze stali hartowanej lub kulkę z węglika o określonej średnicy, a obciążenie zostaje rozładowane po określonym czasie i średnicy wcięcia na badanej powierzchni.
Wzór obliczeniowy: Wartość twardości Brinella jest ilorazem otrzymanym przez podzielenie obciążenia przez kulistą powierzchnię wgłębienia.
Twardość Rockwella (HR):
Zakres zastosowania: Ogólnie stosowany do materiałów o wyższej twardości, takich jak twardość po obróbce cieplnej.
Zasada testu: Podobna do twardości Brinella, ale przy użyciu różnych sond (diamentowych) i różnych metod obliczeniowych.
Typy: W zależności od zastosowania istnieją HRC (do materiałów o dużej twardości), HRA, HRB i inne typy.
Twardość Vickersa (HV):
Zakres zastosowania: Nadaje się do analizy mikroskopowej.
Zasada testu: Dociśnij powierzchnię materiału obciążeniem mniejszym niż 120 kg i wgłębnikiem o kwadratowym stożku diamentowym o kącie wierzchołkowym 136° i podziel powierzchnię wgłębienia materiału przez wartość obciążenia, aby uzyskać wartość twardości Vickersa.
Twardość Leeba (HL):
Cechy: Przenośny tester twardości, łatwy do zmierzenia.
Zasada testu: Użyj odbicia generowanego przez głowicę udarową po uderzeniu w powierzchnię o twardości i oblicz twardość poprzez stosunek prędkości odbicia stempla w odległości 1 mm od powierzchni próbki do prędkości uderzenia.
Czas publikacji: 25 września 2024 r
